浅谈尿素高压系统的控制和池式冷凝器的应用

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　　摘   要：尿素高压系统是装置的核心控制中枢，将直接影响装置的安全稳定运行，高压系统中池式冷凝器的控制方式与传统的高压甲铵冷凝器不完全一样。结合部分生产经验提出见解和各位同仁探讨，共同提高工艺知识，有利于装置在开车过程中安全稳定运行，保证实现开车投料成功。
　　关键词：尿素;高压系统;控制;池式冷凝器;应用
　　某装置工艺是采用荷兰Stamicarbon公司的新一代改进型二氧化碳气提法工艺。装置主要生产过程包括：原料氨和二氧化碳压缩机、脱氢系统、合成气提、循环系统、解吸水解系统、尿液蒸发、塔式造粒等工序。高压系统设备有：合成塔、汽提塔、高压洗涤器、池式冷凝器，以上高压系统设备是奥地利SBN公司制造，主要材料采用Safurex耐高温耐腐蚀新型尿素级不锈钢;高压系统大部分工艺管线采用焊接连接，设备位差顺序是合成塔→高压洗涤器→池式冷凝器→汽提塔，从位差来看高压洗涤器位置比较低，一旦合成塔满液后很快就会满液到高压洗涤器;将影响高压洗涤器的正常工作;生产中需要严格控制合成塔的液位。合成塔液位计和汽提塔液位计采用雷达液位计;并且在合成塔溢流管喇叭口上安装了导波管，汽提塔→池式冷凝器气相管线采用“U”管设计，避免停车时池式冷凝器尿液和甲铵液倒入汽提塔;合成塔溢流管安装了氨碳比分析仪来观察和控制出料氨碳比，进料氨碳比根据CO2流量、压力、温度的修正值和NH3流量、温度修正值减去系统加入的空气量计算出来的N/C值，是尿素装置氨碳比的重要参考值;联锁是采用ESD紧急停车系统，ESD紧急停车系统按照安全独立原则要求，独立于DCS集散控制系统，其安全级别高于DCS。在正常情况下，ESD系统是处于静态的，不需要人为干预。只有当生产装置出现紧急情况时，不需要经过DCS系统，而直接由ESD发出保护联锁信号，对现场设备进行安全保护，避免危险扩散造成巨大损失。目前装置各项技术指标均处于国内先进水平。
　　尿素装置在操作上具有特殊性，我们是无法改变的，只有通过不断提高操作技能、不断积累丰富的操作经验，才能确保装置的稳定性和工艺控制。
　　1    高压系统的控制方法
　　1.1  合成塔
　　合成塔是一个直立式高压反应器，反应器内分两部分反应：一部分反应是甲铵的生成，另一部分是甲铵的脱水反应生成尿素，热量是自热平衡，它被7块塔板分成不同的小室，在每个小室反应物鼓泡通过气体均匀混合，塔板作用是防止物料在塔内返混，延长停留时间。设计停留时间为1 h，塔板上有汽相分布小孔，上面的塔板开孔率比下面的塔板低一些，因为合成反应生成塔尿素由下至上，所以塔上部汽相会逐渐减少，按设计上合成塔转化率是58%～60% ;合成塔液位采用 “雷达液位计”测量，0位于“溢流管口”以上1 m，测量范围4.5 m;生产过程中严格控制好合成塔液位，当合成塔液位排空，CO2通过进入合成塔造成气体走短路，当合成塔满液，由于位差的关系容易造成高压洗涤器满液将影响正常工作，发生这些情况将给系统造成较大幅度的波动，严重时会使合成压力超压联锁动作。
　　1.2  高压洗涤器
　　合成塔未反应的汽相进入通过高压甲铵泵送入的循环系统回收液进行洗涤吸收，通过高压调温水冷却为液相返回池式冷凝器。通过操作中高压洗涤器的工作情况我们可以观察高压调温水的进出口温差大小，进口温度控制为115～120 ℃、进出口温差是15 ℃左右，温差大冷凝吸收效果好，同时要观察池式冷凝器和合成塔工作情况，如果它们反应效果差，那么出来的汽相多和质量分数大，与高压调温水温差大有关，看温差也是相对的、有条件的，另外，还可以观察阀开度和系统的压力。
　　1.3  汽提塔
　　经合成塔溢流管出来的尿液混合物由调节阀控制进入汽提塔分布器，再把合成塔来的尿液均匀分配到立管中，液位正常的时候，应该控制在20%～40%，因为汽提塔加热蒸汽温度较高，如果尿液停留时间较长，则加剧缩二脲的生成。汽提塔尿液停留时间较短，液位控制一般采取的方式是用阀位对应该液位值后改为“自动”控制。另外汽提塔出液温度指标是非常重要的，直接反映了汽提塔效率，正常生产中应该为167～170 ℃，如果温度升至172 ℃以上，循环系统负荷较重，严重时循环系统会超压，从而影响低压和高压系统，当然汽提塔的工作情况和合成系统的转化率有直接关系。汽提塔内的甲铵分解采用2.0 MPa蒸汽进行加热，控制压力1.6～2.0 MPa，这也是和系统负荷高低有对应关系，生产过程中严格控制好液位，当液位排空后过热蒸汽进入汽提塔，造成联锁动作，按设计要求材质最高温度是240 ℃。
　　1.4  合成系统水量的控制
　　尿素生产中未反应物的回收也是以水溶液形式返回高压系统的，尿素生成副产物也有水的存在，水的存在是不可避免的。因此，控制系统的水量显得非常重要，在控制方法上没有一个统一标准，只是从原理、反应机理去探讨。
　　1.5  N/C控制原理
　　在尿素工艺中N/C是非常重要的控制点，氨碳比直接影响整个尿素工艺的稳定和优化，所以，现在尿素装置都采用N/C控制系统，其优点是方便、直观，可以实时监控系统调整系统，对系统的优化操作有决定性作用，首先談论N/C控制原理，一般采用进料N/C和出料N/C分析仪，N/C分析仪是连接在合成塔溢流管尿液管线上的，将尿液减压至2.5 MPa，温度降至（50±2）℃，进入分析仪进行采样，实时分析结果，准确度高，同时便于操作人员监控，分析仪附件有冷却器、循环泵、高压冲洗水泵。但是分析仪是在合成塔出液管线上，合成塔出液过程需要1 h，也就是不能提前知道进料的氨碳比情况，所以采用进料N/C进行控制。
　　2    池式冷凝器的应用
　　2.1  池式冷凝器的结构及特点 　　池式冷凝器由奥地利SBN公司制造，CO2通过汽提塔进入池式冷凝器底部，内部有翅状分配器，中心管和翅状分配器上有若干个小孔，1 166根U型列管集束在中下部，分布器在介质浸没状态下发生鼓泡湍动，有利于传质和传热，并且有一定的停留时间，使尿素得以有效生成。池式冷凝器流程受到广泛的青睐，在于它有明显的优势。
　　2.2  基本操作要点
　　由于系统空间很大，高压系统升温到125 ℃以上即可完成升温钝化;投料前池式冷凝器加水2.5 h（高压冲洗水泵打量10～12 m3/h））淹没分布器;常压开车，系统压力上升平稳，不需要特别担心超压而引起放空，N/C在2.9～3.4（出料氨碳比）系统都能维持运行;根据生产厂家经验数据，断甲铵液近10 min，高壓系统压力还可以维持，恢复供甲铵后系统也很快恢复;更高更大范围（0.32～0.5 MPa）的低压蒸汽压力控制，池式冷凝器工艺侧温度178 ℃左右;配合脱氢反应器和高效合成塔盘的应用，减小了系统运行过程中高压洗涤器尾气燃烧或爆炸的可能，提高了尿素合成系统转化率，降低了氨耗。
　　2.3  防止倒液
　　从静态位差看，高压系统存在合成塔向池式冷凝器、池式冷凝器向高压洗涤器和汽提塔倒液的可能，特别是池式冷凝器向高压洗涤器和汽提塔倒液是需要避免的，所以在操作中要加以注意，特别是停车封塔时要及时关闭高压洗涤器下液电磁阀，并对高压洗涤器稀释排放，控制好汽提塔壳侧压力0.9 MPa左右。对于汽提塔壳侧有充足的蒸汽，是否保证池式冷凝器不再向汽提塔倒液，需要在生产过程中验证。所以，最好是在开车送入CO2后排放汽提塔底部液位。
　　2.4  池式冷凝器投料加水时间的控制
　　池式冷凝器在原始投料中必须进行加水（加水量26～28 m3/h），水量淹没底部CO2分布器，防止在开车过程中甲铵的生成质量浓度升高后堵塞分布小孔，同时平衡高压系统压力。另外CO2进入液相中鼓动循环，能够产生很好的传热、传质效果，提高转化率。但是池式冷凝器中加水时间不能太早，因为高压系统升温刚结束，设备内部温度较高，2.5 h加水结束后，如果系统短时间内还不进行投料操作，池式冷凝器中的水在温度作用下会产生蒸汽，造成水击，对设备造成破坏，所以，加水时间一定要掌握好。
　　3    结语
　　国内外尿素装置是一个比较成熟的工艺，操作规程、方法都比较接近。完善设备、仪表、电器可靠性措施;紧急停车系统ESD的可靠性必须建立在仪表参数准确、性能稳定的基础上，所以化工装置要实现安全稳定运行，这就需要工程技术人员不断完善基础工作;同时还要优化操作规程、逐步提高工艺人员的操作技能、改善工艺条件来保证装置的安全稳定运行、实现装置低能耗及稳定运行。
　　[参考文献]
　　[1]林玉波.合成氨生产工艺[M].北京：化学工业出版社，2011.
　　[2]周 原.尿素装置操作工[M].北京：中国石化出版社，2007.
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